模糊控制理論在大體積混凝土施工溫度控制中的應用

馬俊文 羅志榮 劉孝國

(1甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州730050；2榆中縣供熱管理站，甘肅 蘭州730100）3中國建筑科學研究院，北京100013）

1 引言

模糊控制理論作為現代控制論研究的重要方面，一般來說，模糊控制理論會將狀態分析的結果作為基礎，將多輸入多輸出和非線性系統控制問題當做重點研究對象，和以往的各種控制方法相比，模糊控制理論利用更加科學的語言實現對規則的控制，從而更好地進行綜合評判,這樣能夠有效地規避由于施工工作人員欠缺施工經驗等原因所導致施工過于隨意等問題，使控制結果更為先進合理。因此，本文立足于實際工程，有效利用模糊控制理論的具體應用和各種計算方式，對大體積混凝土施工溫度的控制方式進行相應的討論。

2 模糊控制理論概述

2.1 模糊控制理論的來源

模糊控制理論的理論基礎，最初來源于加利福尼亞大學控制論專家L.A.Zadeh，1965年他所撰寫的《Fuzzy Set》開設了模糊數學和模糊控制理論相結合的先河，從那時候開始，大量的學者開始對其進行研究，因此這個理論開始得到傳播與發展，與此同時，理論在得到發展的前提下，被有效地應用于自然科學和社會科學領域。

隨著第五代計算機的開發和出現，模糊邏輯開始應用于控制領域，1974年，隨著E.H.Mamdani把模糊控制理論的知識充分應用于機械（鍋爐和蒸汽機）的操作和控制當中，從那時候開始，模糊控制理論發展迅速，并在各個領域得到了巨大的發展。

模糊邏輯理論本身的最大作用，就是架構相應的語言信息，并將相應的架構語言信息更好地轉變成控制策略的理論和方法之一，這種理論能夠從根本上，更加有效地解決各種復雜且不能利用恰當數學模型來解決的控制問題，所以這種理論是處理推理系統和控制系統中所存在的各類不精確、不確定性的恰當方法。所以，模糊控制理論的基礎是模糊推理方式，通過對人的思維方式進行模仿，控制難以建立精確數學模型的研究對象。從理論角度來說，這種模糊邏輯理論是有效結合模糊數學和控制理論的產物，因此，模糊控制理論具有如下的特點：

1）在對控制系統進行相應的設計工作時，被控對象只要現場的經驗數據和各種知識，并不要求精確的數學模型。

2）控制系統一般具有較強的魯棒性，并能夠更好地解決日常控制很難解決的各類問題，如非線性、時變及大滯后等種種問題。

3）開始采取特殊的語言變量形式取代常用的變量形式。

4）控制系統的推理過程由于將個人的經驗加入其中，所以各類復雜甚至病態的系統也能更好地得到處理。

90年代后，模糊控制系統不論是在理論還是實踐方面都取得了長足的進步，比如模糊狀態方程及穩定性分析，軟計算技術等，都是在模糊控制系統發展的前提下產生的理論，與此同時，這些理論也豐富和發展了模糊系統理論，并且得到了更好的實踐發展。

2.2 模糊控制的發展

從模糊控制的發展看，其自身的發展可以分為兩個階段：

（1）早期的模糊控制器：早期的模糊控制器的利用，是從語言控制規則的角度出發，這類控制規則的設置，是從操作者自身的控制經驗和知識總結方面出發，所以早期的模糊控制器，一般利用于很難獲得精確數學模型和數學模型不夠確定或者不夠精確的對象當中。

（2）后期的模糊控制器：后期的模糊控制器，一般是用于那些難以對其規則進行描述的各類設備當中,一般來說，這些適用對象很難總結相應的成熟的經驗,或者在整個過程中，有很大非線性以及時滯特征的,試圖了解人的大腦對各類負責現象所進行的識別和認識上汲取經驗，模糊集理論設計自適應、自組織、自學習的模糊控制器。

3 大體積混凝土施工溫度控制中模糊控制理論的具體應用

3.1 大體積混凝土冷卻水降溫的關鍵因素

1）在為大體積混凝土冷卻水進行溫度降低時，以下幾個因素需要注意：

（1)混凝土的里外層之間有著一定的溫差，有可能會導致混凝土裂縫問題[1]。

（2)冷卻水水溫與混凝土最高溫度的溫差要盡量縮小,若溫差過大，極有可能造成冷卻管的溫度應力過大，產生冷卻管裂縫。

（3)混凝土，尤其是大體積混凝土，如果處在降溫階段且速度過快，很可能出現貫穿性溫度裂縫[2]。

2）一般來說，在具體的工程施工過程中，為避免產生因為過大的溫度應力而導致的裂縫,一般會對以下指標進行操控:

(1)混凝土的內外之間的溫差需要不易大于25℃；

(2)混凝土降溫速率一般不易大于2℃/d；

(3)混凝土當中的最高溫度與冷卻水水溫的溫差一般不易大于20℃。

3.2 大體積混凝土降溫的模糊控制原理

在施工當中，隨著對大體積混凝土冷卻水的降溫過程的進行,混凝土內外溫差的檢查和監控有著重要的作用，一般來說，對其進行檢測通過以下手段：

1）首先，有效利用模糊控制器，將所用的監測數據和大體積混凝土溫度控制所進行監測的三個指標的數值進行對比，并利用模糊控制器對水溫和水量進行更好地監測，并將其形成指令，傳遞給施工人員[3]。

2）施工人員在接到指令后，開始進行大體積混凝土冷卻水降溫的控制，從而更好地避免由于混凝土溫度應力過大所導致的混凝土開裂問題。而在這個過程中，為了幫助更加精確地對混凝土的溫度進行監測，我們將具體的控溫過程分成兩個階段：升溫階段和降溫階段。通過相應的劃分，才能更好地對溫度進行控制和調節。

3.3 輸入和輸出向量的問題

輸入變量的隸屬度函數呈現柯西型分布狀態，在升溫的過程中,冷卻水調溫幅度為輸出變量，將混凝土內外溫差和冷卻水水溫設置成輸入變量；而在降溫時，冷卻水調溫幅度仍然為輸出變量，將混凝土內外溫差、冷卻水水溫和降溫速率設置成輸入變量，在具體的工程中，其升溫階段和降溫階段的模糊控制系統將會被建立，而輸入變量的隸屬度函數呈現以下分布情況：

在這個計算公式當中，a、b、k都是這個公式中的常數，而且a>0，k>1且b是正偶數，而且輸入的變量能夠用小、中、大三種變量進行表示。

3.4 形成相應的模糊算法器

模糊控制規則與模糊算法能夠形成相應的模糊算法器，而其中模糊算法規則由若干個模糊條件語句形成[4][5]，是所形成的最重要的控制經驗，而在大體積混凝土溫度控制原則的基礎上，一般來說，工程所采用的模糊推理法為合成性質的推理方法：Mamdani推理法[6]，其模糊蘊含關系為:

A→B=A×B,即R(u,v)=A(u)∧B(v)。

模糊控制理論已經得到了工程界等各個行業的重視，但其自身的系統的分析和設計仍然沒有相對精確的方法,在許多具體的實踐過程中，需要相關經驗和知識對其進行利用，而對著理論體系的發展，許多人將常規控制理論的理論背景充分應用于模糊控制系統當中，這對實際工程的應用和發展起到了重要的作用。

[1]楊碧華,李惠強.早齡期大體積混凝土溫度應力與裂縫的關系[J].武漢:華中科技大學學報:城市科學版,200219(4):76-77.

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997:144-341.

[3]張正斌,吳汝善,于健.模糊控制工程[M].重慶:重慶大學出版社,1995:4-11.

[4]俞先林,張緩媛.預應力混凝土連續梁橋懸臂施工模糊控制技術[J].中外公路,2003,23(2):43-45.

[5]朱伯芳.大體積混凝土結構的溫度應力與溫度控制[M].北京:水利電力出版社,1999:633-671.

[6]鐘曉琳等.大體積混凝土施工規范（GB50496-2009）[S].北京:中國計劃出版社，2009.